Inducing effect of skeletal muscle extracts on the appearance of calbindin-immunoreactive dorsal root ganglion cells in culture.

Calbindin D-28k is a calcium-binding protein which is not expressed by dorsal root ganglion cells cultured from 6-day-old (E6) chick embryos. When soluble muscle extracts from embryos at E11, E18 or chickens 2 weeks after hatching were added immediately after seeding, dorsal root ganglia cells grown at E6 displayed neuronal subpopulations expressing calbindin immunoreactivity with time; the effect of muscle extract on the percentage of calbindin-immunoreactive dorsal root ganglia cells followed a dose-response curve. When muscle extract was added to cultures after a 3 day delay, the percentage of calbindin-expressing neurons was unchanged. The effect produced by muscle extract and, to a lesser degree, skin extract on the appearance of calbindin-positive neurons was not reproduced by brain or liver extracts while all four exerted a trophic action on cultured neurons. Hence it is assumed that muscle extract contains a factor which produces an inductive effect on the initiation of calbindin-expression by uncommitted subpopulations of sensory neurons rather than a trophic influence on the selective survival of covertly committed neuronal subpopulations. The fact that muscle extract promoted calbindin expression by dorsal root ganglia cells in neuron-enriched as well as in mixed dorsal root ganglion cell cultures indicates that the factor would act directly on sensory neurons rather than indirectly through mediation of non-neuronal cells. Since the active muscular factor was non-dialysable, heat-inactivated, trypsin-sensitive and retained by molecular filters with a cut-off of 30 K, this factor is probably a protein.

Mobile phone use and brain tumors in children and adolescents: a multicenter case-control study.

Background It has been hypothesized that children and adolescents might be more vulnerable to possible health effects from mobile phone exposure than adults. We investigated whether mobile phone use is associated with brain tumor risk among children and adolescents. Methods CEFALO is a multicenter case-control study conducted in Denmark, Sweden, Norway, and Switzerland that includes all children and adolescents aged 7-19 years who were diagnosed with a brain tumor between 2004 and 2008. We conducted interviews, in person, with 352 case patients (participation rate: 83%) and 646 control subjects (participation rate: 71%) and their parents. Control subjects were randomly selected from population registries and matched by age, sex, and geographical region. We asked about mobile phone use and included mobile phone operator records when available. Odds ratios (ORs) for brain tumor risk and 95% confidence intervals (CIs) were calculated using conditional logistic regression models. Results Regular users of mobile phones were not statistically significantly more likely to have been diagnosed with brain tumors compared with nonusers (OR = 1.36; 95% CI = 0.92 to 2.02). Children who started to use mobile phones at least 5 years ago were not at increased risk compared with those who had never regularly used mobile phones (OR = 1.26, 95% CI = 0.70 to 2.28). In a subset of study participants for whom operator recorded data were available, brain tumor risk was related to the time elapsed since the mobile phone subscription was started but not to amount of use. No increased risk of brain tumors was observed for brain areas receiving the highest amount of exposure. Conclusion The absence of an exposure-response relationship either in terms of the amount of mobile phone use or by localization of the brain tumor argues against a causal association.

"In vitro" study of the molecular mechanism of the "E.Coli" Hsp 70/Hsp40/NEF chaperone system and its interactions with ?-sinuclein

SUMMARY Under stressful conditions, mutant or post-translationally modified proteins may spontaneously misfold and form toxie species, which may further assemble into a continuum of increasingly large and insoluble toxic oligomers that may further condense into less toxic, compact amyloids in the cell Intracellular accumulation of aggregated proteins is a common denominator of several neurodegenerative diseases. To cope with the cytotoxicity induced by abnormal, aggregated proteins, cells have evolved various defence mechanisms among which, the molecular chaperones Hsp70. Hsp70 (DnaK in E. coii) is an ATPase chaperone involved in many physiological processes in the cell, such as assisting de novo protein folding, dissociating native protein oligomers and serving as pulling motors in the import of polypeptides into organelles. In addition, Hsp70 chaperones can actively solubilize and reactivate stable protein aggregates, such as heat- or mutation-induced aggregates. Hsp70 requires the cooperation of two other co-chaperones: Hsp40 and NEF (Nucleotide exchange factor) to fulfil its unfolding activity. In the first experimental section of this thesis (Chapter II), we studied by biochemical analysis the in vitro interaction between recombinant human aggregated α-synuclein (a-Syn oligomers) mimicking toxic a-Syn oligomers species in PD brains, with a model Hsp70/Hsp40 chaperone system (the E. coii DnaK/DnaJ/GrpE). We found that chaperone-mediated unfolding of two denatured model enzymes were strongly affected by α-Syn oligomers but, remarkably, not by monomers. This in vitro observed dysfunction of the Hsp70 chaperone system resulted from the sequestration of the Hsp40 proteins by the oligomeric α-synuclein species. In the second experimental part (Chapter III), we performed in vitro biochemical analysis of the co-chaperone function of three E. coii Hsp40s proteins (DnaJ, CbpA and DjlA) in the ATP-fuelled DnaK-mediated refolding of a model DnaK chaperone substrate into its native state. Hsp40s activities were compared using dose-response approaches in two types of in vitro assays: refolding of heat-denatured G6PDH and DnaK-mediated ATPase activity. We also observed that the disaggregation efficiency of Hsp70 does not directly correlate with Hsp40 binding affinity. Besides, we found that these E. coii Hsp40s confer substrate specificity to DnaK, CbpA being more effective in the DnaK-mediated disaggregation of large G6PDH aggregates than DnaJ under certain conditions. Sensibilisées par différents stress ou mutations, certaines protéines fonctionnelles de la cellule peuvent spontanément se convertir en formes inactives, mal pliées, enrichies en feuillets bêta, et exposant des surfaces hydrophobes favorisant l'agrégation. Cherchant à se stabiliser, les surfaces hydrophobes peuvent s'associer aux régions hydrophobes d'autres protéines mal pliées, formant des agrégats protéiques stables: les amyloïdes. Le dépôt intracellulaire de protéines agrégées est un dénominateur commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Afin de contrer la cytotoxicité induite par les protéines agrégées, les cellules ont développé plusieurs mécanismes de défense, parmi lesquels, les chaperonnes moléculaires Hsp70. Hsp70 nécessite la collaboration de deux autres co-chaperonnes : Hsp40 et NEF pour accomplir son activité de désagrégation. Hsp70 (DnaK, chez E. coli) est impliquée par ailleurs dans d'autres fonctions physiologiques telles que l'assistanat de protéines néosynthétisées à la sortie du ribosome, ou le transport transmembranaire de polypeptides. Par ailleurs, les chaperonnes Hsp70 peuvent également solubiliser et réactiver des protéines agrégées à la suite d'un stress ou d'une mutation. Dans la première partie expérimentale de cette thèse (Chapter II), nous avons étudié in vitro l'interaction entre les oligomères d'a-synucleine, responsables entre autres, de la maladie de Parkinson, et le système chaperon Hsp70/Hsp40 (système Escherichia coli DnaK/DnaJ/GrpE). Nous avons démontré que contrairement aux monomères, les oligomères d'a-synucleine inhibaient le système chaperon lors du repliement de protéines agrégées. Cette dysfonction du système chaperon résulte de la séquestration des chaperonnes Hsp40 par les oligomères d'a-synucleine. La deuxième partie expérimentale (Chapitre III) est consacrée à une étude in vitro de la fonction co-chaperonne de trois Hsp40 d'is. coli (DnaJ, CbpA, et DjlA) lors de la désagrégation par DnaK d'une protéine pré-agrégée. Leurs activités ont été comparées par le biais d'une approche dose-réponse au niveau de deux analyses enzymatiques: le repliement de la protéine agrégée et l'activité ATPase de DnaK. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que l'efficacité de désagrégation d'Hsp70 et l'affinité des chaperonnes Hsp40 vis-à-vis de leur substrat n'étaient pas corrélées positivement. Nous avons également montré que ces trois chaperonnes Hsp40 étaient directement impliquées dans la spécificité des fonctions accomplies par les chaperonnes Hsp70. En effet, DnaK en présence de CbpA assure la désagrégation de large agrégats protéiques avec une efficacité nettement plus accrue qu'en présence de DnaJ.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Therapeutic drug monitoring in cancer - Are we missing a trick?

Therapeutic drug monitoring (TDM) can be defined as the measurement of drug in biological samples to individualise treatment by adapting drug dose to improve efficacy and/or reduce toxicity. The cytotoxic drugs are characterised by steep dose-response relationships and narrow therapeutic windows. Inter-individual pharmacokinetic (PK) variability is often substantial. There are, however, a multitude of reasons why TDM has never been fully implemented in daily oncology practice. These include difficulties in establishing appropriate concentration target, common use of combination chemotherapies and the paucity of published data from pharmacological trials. The situation is different with targeted therapies. The large interindividual PK variability is influenced by the pharmacogenetic background of the patient (e.g. cytochrome P450 and ABC transporters polymorphisms), patient characteristics such as adherence to treatment and environmental factors (drug-drug interactions). Retrospective studies have shown that targeted drug exposure correlates with treatment response in various cancers. Evidence for imatinib currently exists, others are emerging for compounds including nilotinib, dasatinib, erlotinib, sunitinib, sorafenib and mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibitors. Applications for TDM during oral targeted therapies may best be reserved for particular situations including lack of therapeutic response, severe or unexpected toxicities, anticipated drug-drug interactions and concerns over adherence treatment. There are still few data with monoclonal antibodies (mAbs) in favour of TDM approaches, even if data showed encouraging results with rituximab and cetuximab. TDM of mAbs is not yet supported by scientific evidence. Considerable effort should be made for targeted therapies to better define concentration-effect relationships and to perform comparative randomised trials of classic dosing versus pharmacokinetically-guided adaptive dosing.

Minimal analytical characterisation of engineered nanomaterials need for hazard assessment in biological matrices

The safe and responsible development of engineered nanomaterials (ENM), nanotechnology-based materials and products, together with the definition of regulatory measures and implementation of "nano"-legislation in Europe require a widely supported scientific basis and sufficient high quality data upon which to base decisions. At the very core of such a scientific basis is a general agreement on key issues related to risk assessment of ENMs which encompass the key parameters to characterise ENMs, appropriate methods of analysis and best approach to express the effect of ENMs in widely accepted dose response toxicity tests. The following major conclusions were drawn: Due to high batch variability of ENMs characteristics of commercially available and to a lesser degree laboratory made ENMs it is not possible to make general statements regarding the toxicity resulting from exposure to ENMs. 1) Concomitant with using the OECD priority list of ENMs, other criteria for selection of ENMs like relevance for mechanistic (scientific) studies or risk assessment-based studies, widespread availability (and thus high expected volumes of use) or consumer concern (route of consumer exposure depending on application) could be helpful. The OECD priority list is focussing on validity of OECD tests. Therefore source material will be first in scope for testing. However for risk assessment it is much more relevant to have toxicity data from material as present in products/matrices to which men and environment are be exposed. 2) For most, if not all characteristics of ENMs, standardized methods analytical methods, though not necessarily validated, are available. Generally these methods are only able to determine one single characteristic and some of them can be rather expensive. Practically, it is currently not feasible to fully characterise ENMs. Many techniques that are available to measure the same nanomaterial characteristic produce contrasting results (e.g. reported sizes of ENMs). It was recommended that at least two complementary techniques should be employed to determine a metric of ENMs. The first great challenge is to prioritise metrics which are relevant in the assessment of biological dose response relations and to develop analytical methods for characterising ENMs in biological matrices. It was generally agreed that one metric is not sufficient to describe fully ENMs. 3) Characterisation of ENMs in biological matrices starts with sample preparation. It was concluded that there currently is no standard approach/protocol for sample preparation to control agglomeration/aggregation and (re)dispersion. It was recommended harmonization should be initiated and that exchange of protocols should take place. The precise methods used to disperse ENMs should be specifically, yet succinctly described within the experimental section of a publication. 4) ENMs need to be characterised in the matrix as it is presented to the test system (in vitro/ in vivo). 5) Alternative approaches (e.g. biological or in silico systems) for the characterisation of ENMS are simply not possible with the current knowledge. Contributors: Iseult Lynch, Hans Marvin, Kenneth Dawson, Markus Berges, Diane Braguer, Hugh J. Byrne, Alan Casey, Gordon Chambers, Martin Clift, Giuliano Elia1, Teresa F. Fernandes, Lise Fjellsbø, Peter Hatto, Lucienne Juillerat, Christoph Klein, Wolfgang Kreyling, Carmen Nickel1, and Vicki Stone.

Régulation du canal à sodium épithélial par le sodim extracellulaire et développement d'un microsystème intégré pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes de "Xenopus laevis"

Résumé : La première partie de ce travail de thèse est consacrée au canal à sodium épithélial (ENaC), l'élément clé du transport transépithélial de Na+ dans le néphron distal, le colon et les voies aériennes. Ce canal est impliqué dans certaines formes génétiques d'hypo- et d'hypertension (PHA I, syndrome de Liddle), mais aussi, indirectement, dans la mucoviscidose. La réabsorption transépithéliale de Na+ est principalement régulée par des hormones (aldostérone, vasopressine), mais aussi directement par le Na+, via deux phénomènes distincts, la « feedback inhibition » et la « self-inhibition » (SI). Ce second phénomène est dépendant de la concentration de Na+ extracellulaire, et montre une cinétique rapide (constante de temps d'environ 3 s). Son rôle physiologique serait d'assurer l'homogénéité de la réabsorption de Na+ et d'empêcher que celle-ci soit excessive lorsque les concentrations de Na+ sont élevées. Différents éléments appuient l'hypothèse de la présence d'un site de détection de la concentration du Na+ extracellulaire sur ENaC, gouvernant la SI. L'objectif de ce premier projet est de démontrer l'existence du site de détection impliqué dans la SI et de déterminer ses propriétés physiologiques et sa localisation. Nous avons montré que les caractéristiques de la SI (en termes de sélectivité et affinité ionique) sont différentes des propriétés de conduction du canal. Ainsi, nos résultats confirment l'hypothèse de l'existence d'un site de détection du Na+ (responsable de la transmission de l'information au mécanisme de contrôle de l'ouverture du canal), différent du site de conduction. Par ailleurs, ce site présente une affinité basse et indépendante du voltage pour le Na+ et le Li+ extracellulaires. Le site semble donc être localisé dans le domaine extracellulaire, plutôt que transmembranaire, de la protéine. L'étape suivante consiste alors à localiser précisément le site sur le canal. Des études précédentes, ainsi que des résultats préliminaires récemment obtenus, mettent en avant le rôle dans la self-inhibition du premiers tiers des boucles extracellulaires des sous-unités α et γ du canal. Le second projet tire son origine des limitations de la méthode classique pour l'étude des canaux ioniques, après expression dans les ovocytes de Xenopus laevis, par la méthode du voltage-clamp à deux électrodes, en particulier les limitations dues à la lenteur des échanges de solutions. En outre, cette méthode souffre de nombreux désavantages (manipulations délicates et peu rapides, grands volumes de solution requis). Plusieurs systèmes améliorés ont été élaborés, mais aucun ne corrige tous les désavantages de la méthode classique Ainsi, l'objectif ici est le développement d'un système, pour l'étude électrophysiologique sur ovocytes, présentant les caractéristiques suivantes : manipulation des cellules facilitée et réduite, volumes de solution de perfusion faibles et vitesse rapide d'échange de la perfusion. Un microsystème intégré sur une puce a été élaboré. Ces capacités de mesure ont été testées en utilisant des ovocytes exprimant ENaC. Des résultats similaires (courbes IV, courbes dose-réponse au benzamil) à ceux obtenus avec le système traditionnel ont été enregistrés avec le microsystème. Le temps d'échange de solution a été estimé à ~20 ms et des temps effectifs de changement ont été déterminés comme étant 8 fois plus court avec le nouveau système comparé au classique. Finalement, la SI a été étudiée et il apparaît que sa cinétique est 3 fois plus rapide que ce qui a été estimé précédemment avec le système traditionnel et son amplitude de 10 à 20 % plus importante. Le nouveau microsystème intégré apparaît donc comme adapté à la mesure électrophysiologique sur ovocytes de Xenopus, et possèdent des caractéristiques appropriées à l'étude de phénomènes à cinétique rapide, mais aussi à des applications de type « high throughput screening ». Summary : The first part of the thesis is related to the Epithelial Sodium Channel (ENaC), which is a key component of the transepithelial Na+ transport in the distal nephron, colon and airways. This channel is involved in hypo- and hypertensive syndrome (PHA I, Liddle syndrome), but also indirectly in cystic fibrosis. The transepithelial reabsorption of Na+ is mainly regulated by hormones (aldosterone, vasopressin), but also directly by Na+ itself, via two distinct phenomena, feedback inhibition and self-inhibition. This latter phenomenon is dependant on the extracellular Na+ concentration and has rapid kinetics (time constant of about 3 s). Its physiological role would be to prevent excessive Na+ reabsorption and ensure this reabsorption is homogenous. Several pieces of evidence enable to propose the hypothesis of an extracellular Na+ sensing site on ENaC, governing self-inhibition. The aim of this first project is to demonstrate the existence of the sensing site involved in self-inhibition and to determine its physiological properties and localization. We show self-inhibition characteristics (ionic selectivity and affinity) are different from the conducting properties of the channel. Our results support thus the hypothesis that the Na+ sensing site (responsible of the transmission of the information about the extracellular Na+ concentration to the channel gating mechanism), is different from the channel conduction site. Furthermore, the site has a low and voltage-insensitive affinity for extracellular Na+ or Li+. This site appears to be located in the extracellular domain rather than in the transmembrane part of the channel protein. The next step is then to precisely localize the site on the channel. Some previous studies and preliminary results we recently obtained highlight the role of the first third of the extracellular loop of the α and γ subunits of the channel in self-inhibition. The second project originates in the limitation of the classical two-electrode voltageclamp system classically used to study ion channels expressed in Xenopus /aevis oocytes, in particular limitations related to the slow solution exchange time. In addition, this technique undergoes several drawbacks (delicate manipulations, time consumption volumes). Several improved systems have been built up, but none corrected all these detriments. The aim of this second study is thus to develop a system for electrophysiological study on oocytes featuring an easy and reduced cell handling, small necessary perfusion volumes and fast fluidic exchange. This last feature establishes the link with the first project, as it should enable to improve the kinetics analysis of self-inhibition. A PDMS chip-based microsystem has been elaborated. Its electrophysiological measurement abilities have been tested using oocytes expressing ENaC. Similar measurements (IV curves of benzamil-sensitive currents, benzamil dose-response curves) have been obtained with this system, compared to the traditional one. The solution exchange time has been estimated at N20 ms and effective exchange times (on inward currents) have been determined as 8 times faster with the novel system compared to the classical one. Finally, self-inhibition has been studied and it appears its kinetics is 3 times faster and its amplitude 10 to 20 % higher than what has been previously estimated with the traditional system. The novel integrated microsystem appears therefore to be convenient for electrophysiological measurement on Xenopus oocytes, and displays features suitable for the study of fast kinetics phenomenon, but also high throughput screening applications. Résumé destiné large public : Le corps humain est composé d'organes, eux-mêmes constitués d'un très grand nombre de cellules. Chaque cellule possède une paroi appelée membrane cellulaire qui sépare l'intérieur de cette cellule (milieu intracellulaire) du liquide (milieu extracellulaire) dans lequel elle baigne. Le maintien de la composition stable de ce milieu extracellulaire est essentiel pour la survie des cellules et donc de l'organisme. Le sodium est un des composants majeurs du milieu extracellulaire, sa quantité dans celui-ci doit être particulièrement contrôlée. Le sodium joue en effet un rôle important : il conditionne le volume de ce liquide extracellulaire, donc, par la même, du sang. Ainsi, une grande quantité de sodium présente dans ce milieu va de paire avec une augmentation du volume sanguin, ce qui conduit l'organisme à souffrir d'hypertension. On se rend donc compte qu'il est très important de contrôler la quantité de sodium présente dans les différents liquides de l'organisme. Les apports de sodium dans l'organisme se font par l'alimentation, mais la quantité de sodium présente dans le liquide extracellulaire est contrôlée de manière très précise par le rein. Au niveau de cet organe, on appelle urine primaire le liquide résultant de la filtration du sang. Elle contient de nombreuses substances, des petites molécules, dont l'organisme a besoin (sodium, glucose...), qui sont ensuite récupérées dans l'organe. A la sortie du rein, l'urine finale ne contient plus que l'excédent de ces substances, ainsi que des déchets à éliminer. La récupération du sodium est plus ou moins importante, en fonction des ajustements à apporter à la quantité présente dans le liquide extracellulaire. Elle a lieu grâce à la présence de protéines, dans les membranes des cellules du rein, capables de le transporter et de le faire transiter de l'urine primaire vers le liquide extracellulaire, qui assurera ensuite sa distribution dans l'ensemble de l'organisme. Parmi ces protéines « transporteurs de sodium », nous nous intéressons à une protéine en particulier, appelée ENaC. Il a été montré qu'elle jouait un rôle important dans cette récupération de sodium, elle est en effet impliquée dans des maladies génétiques conduisant à l'hypo- ou à l'hypertension. De précédents travaux ont montré que lorsque le sodium est présent en faible quantité dans l'urine primaire, cette protéine permet d'en récupérer une très grande partie. A l'inverse, lorsque cette quantité de sodium dans l'urine primaire est importante, sa récupération par le biais d'ENaC est réduite. On parle alors d'autorégulation : la protéine elle-même est capable d'adapter son activité de transport en fonction des conditions. Ce phénomène d'autorégulation constitue a priori un mécanisme préventif visant à éviter une trop grande récupération de sodium, limitant ainsi les risques d'hypertension. La première partie de ce travail de thèse a ainsi consisté à clarifier le mécanisme d'autorégulation de la protéine ENaC. Ce phénomène se caractérise en particulier par sa grande vitesse, ce qui le rend difficile à étudier par les méthodes traditionnelles. Nous avons donc, dans une deuxième partie, développé un nouveau système permettant de mieux décrire et analyser cette « autorégulation » d'ENaC. Ce second projet a été mené en collaboration avec l'équipe de Martin Gijs de l'EPFL.

Bolus injections of synthetic atrial natriuretic peptide in patients with chronic renal failure or nephrotic syndrome.

The diuretic and natriuretic responses to exogenous synthetic atrial natriuretic peptide (ANP) were evaluated in patients with chronic renal failure (CRF) or nephrotic syndrome (NS). Patients were studied after an oral water load (8 ml/kg in CRF and 20 ml/kg in NS patients). A short intravenous bolus of either a placebo or ANP was administered when urine output was stable. In each group of patients, three doses of ANP were injected at 24 h intervals, i.e., 1.0, 1.5, and 2.0 micrograms/kg in the CRF and 1.0, 1.5, and 3.0 micrograms/kg in the NS group. Blood pressure and heart rate were monitored throughout the study and urinary volume and electrolyte excretion were measured every 20 min up to 3 h after the bolus. An acute and transient fall in blood pressure was observed immediately after the ANP injection. It was more pronounced in CRF than in NS patients. In CRF patients, ANP caused only a slight increase in urinary volume (13.5-44% over baseline) but a significant increase in urinary sodium excretion (45-114% over baseline). In NS patients, significant increases in both urine volume (60-105%) and sodium excretion (149-248%) were also found. In these latter patients, the renal response to ANP appeared to be better preserved. The hemodynamic and renal changes induced by ANP occurred mainly during the first 20 min following the ANP administration, when the peak plasma ANP levels were obtained. However, no clear dose-response effect could be evidenced in either group with the three doses of ANP chosen in this study.

Canakinumab (ACZ885) vs triamcinolone acetonide for treatment of acute flares and prevention of recurrent flares in gouty arthritis patients refractory to or contraindicated to nsaids and/or colchicine.

Purpose: Current treatments for arthritis flares in gout (gouty arthritis) are not effective in all patients and may be contraindicated in many due to underlying comorbidities. Urate crystals activate the NALP 3 inflammasome which stimulate production of IL-1β, driving inflammatory processes. Targeted IL-1β blockade may be an alternative treatment for gouty arthritis. Canakinumab (ACZ885) is a fully human monoclonal anti- IL-1β antibody with a long half-life (28 days). Method: This was an 8-weeks, dose-ranging, multicenter, blinded, double-dummy, active-controlled trial of patients ≥18 to ≤80 y with an acute gouty arthritis flare, refractory to or contraindicated to NSAIDs and/or colchicine. Patients were randomized to 1 subcutanous (sc) dose of canakinumab (10, 25, 50, 90, or 150 mg) or 1 intra muscular (im) dose of triamcinolone acetonide (TA) [40 mg]. The primary variable was assessed 72 h post-dose, measured on a 0-100 mm VAS pain scale. Secondary variables included pain intensity 24 and 48 h post dose, time to 50% reduction in pain intensity, and time to recurrence of gout flares up to 8 weeks post dose. Results: 200 patients were enrolled (canakinumab n=143, TA n=57) and 191 completed the study. A statistically significant dose response was observed at 72 h. The 150 mg dose reached superior pain relief compared to TA starting from 24h: estimated mean difference in pain intensity on 0-100 mm VAS was -11.5 at 24 h, -18.2 at 48 h, and -19.2 at 72 h (all p<0.05). Canakinumab 150 mg provided a rapid onset of pain relief: median time to 50% reduction in pain was reached at 1 day with canakinumab 150 mg vs 2 days for the TA group (p=0.0006). The probability of recurrent gout flares was 3.7% with canakinumab 150 mg vs. 45.4% with TA 8 weeks post treatment, a relative risk reduction of 94% (p=0.006). Serious AEs occurred in 2 patients receiving canakinumab (appendicitis and carotid artery stenosis) and 1 receiving TA (cerebrovascular disorder). Investigator's reported these events as not study drug related. There were no discontinuations due to AEs. Conclusion: Canakinumab 150 mg provided faster onset and superior pain relief compared to TA for acute flares in gouty arthritis patients refractory to or contraindicated to standard treatments. The 150 mg dose of canakinumab prevented recurrence of gout flares with a relative risk reduction compared to TA of 94% at 8 weeks post-dose, and was well tolerated.

Canakinumab (Acz885) Relieves Pain And Controls Inflammation Rapidly In Patients With Difficult-To-Treat Gouty Arthritis : Comparison With Triamcinolone Acetonide

Background : Monosodium urate (MSU) crystals stimulate the productionof interleukin-1b (IL-1b), a potent inflammatory cytokine. Targeted IL-1b blockade with canakinumab, a fully human monoclonal anti-IL-1b antibody, is a novel treatment for gouty arthritis. Its effects on pain and inflammation in acute gouty arthritis flares were compared with triamcinolone acetonide (TA). TA has been shown to be effective in the treatment of acute gouty arthritis flares.Methods : This was an 8-week, dose-ranging, multicenter, blinded, active-controlled trial. Patients _18 to _80 years with an acute gouty arthritis flare, refractory to or contraindicated to NSAIDs and/or colchicine were randomized to one subcutaneous dose of canakinumab (10, 25, 50, 90, or 150 mg; n¼143) or one intramuscular dose of TA (40 mg; n¼57). Primary outcome was pain intensity at 72 hours post dose on VAS scale (0-100 mm). Secondary outcomes included Creactive protein (CRP), serum amyloid A (SAA), and physician's assessment of tenderness, swelling and erythema of target joint at 72 hours, 7 days, 4 and 8-weeks post dose.Results : 191/200 patients completed the study. Canakinumab showed a statistically significant dose response at 72 hours. The 150mg dose group reached superior pain relief compared to TA group starting from 24 hours as previously reported. At 72 hours post dose, 78% of canakinumab 150mg treated patients achieved _75% and 96% achieved _50% reduction in pain from baseline. In contrast, 45% and 61% of patients treated with TA achieved _75% and _50% pain reduction, respectively. Median CRP/SAA levels were normalized by Day 7 for all canakinumab doses above 10mg and remained below the upper limit of normal [(ULN): CRP 3.0 mg/L; SAA 6.7 mg/L)] for rest of the study. In TA group, median CRP levels remained above the ULN throughout the study while median SAA levels decreased below ULN only 28 days after first dose. At 72 hours post dose, canakinumab 150mg group was 3.2 (95% CI, 1.27-7.89) times more likely to have less joint tenderness and 2.7 (95% CI, 1.09-6.5) times more likely to have less joint swelling than TA group (p<0.05). At 72 hours post dose, erythema disappeared in 74.1% of patients receiving canakinumab150mg and 69.6% of patients receiving TA. At 7 days post dose, erythema was absent in 96.3% of canakinumab 150mg treated patients vs. 83.9% of patients receiving TA. The overall incidence of AEs was similar for canakinumab (41%) and triamcinolone acetonide (42%). Serious AEs (canakinumab treatment groups n¼4, TA n¼1) were not considered treatment-related by investigators. No discontinuationsdue to AEs occurred.Conclusions : Canakinumab 150mg provided superior pain relief compared to TA for acute flares in difficult-to-treat gouty arthritis patients. Canakinumab provided rapid normalization of markers of inflammation accompanied by reduction of clinical signs and symptoms of inflammation.Disclosure statement : U.A., V.M., D.R. and P.S. are shareholders and employees of Novartis Pharma AG. A.P. has received research support from Novartis Pharma AG. N.S. has received research support from and acts as a consultant for Novartis Pharmaceuticals Corporation, has served on advisory boards for Novartis, Takeda, Savient, URL Pharma and Enzyme Rx, and is/has been a member of a speakers' bureau for Takeda. A.S. has received consultancy fees from Novartis Pharma AG, Abbott, Wyeth, UCB, Roche, MSD, Pfizer, Essex and Bristol-Myers Squibb. All other authors have declared no conflicts of interest.

Label-free cytotoxicity screening assay by digital holographic microscopy.

Abstract We introduce a label-free technology based on digital holographic microscopy (DHM) with applicability for screening by imaging, and we demonstrate its capability for cytotoxicity assessment using mammalian living cells. For this first high content screening compatible application, we automatized a digital holographic microscope for image acquisition of cells using commercially available 96-well plates. Data generated through both label-free DHM imaging and fluorescence-based methods were in good agreement for cell viability identification and a Z'-factor close to 0.9 was determined, validating the robustness of DHM assay for phenotypic screening. Further, an excellent correlation was obtained between experimental cytotoxicity dose-response curves and known IC values for different toxic compounds. For comparable results, DHM has the major advantages of being label free and close to an order of magnitude faster than automated standard fluorescence microscopy.

Dosage optimization of treatments using population pharmacokinetic modeling and simulation.

Pharmacokinetic variability in drug levels represent for some drugs a major determinant of treatment success, since sub-therapeutic concentrations might lead to toxic reactions, treatment discontinuation or inefficacy. This is true for most antiretroviral drugs, which exhibit high inter-patient variability in their pharmacokinetics that has been partially explained by some genetic and non-genetic factors. The population pharmacokinetic approach represents a very useful tool for the description of the dose-concentration relationship, the quantification of variability in the target population of patients and the identification of influencing factors. It can thus be used to make predictions and dosage adjustment optimization based on Bayesian therapeutic drug monitoring (TDM). This approach has been used to characterize the pharmacokinetics of nevirapine (NVP) in 137 HIV-positive patients followed within the frame of a TDM program. Among tested covariates, body weight, co-administration of a cytochrome (CYP) 3A4 inducer or boosted atazanavir as well as elevated aspartate transaminases showed an effect on NVP elimination. In addition, genetic polymorphism in the CYP2B6 was associated with reduced NVP clearance. Altogether, these factors could explain 26% in NVP variability. Model-based simulations were used to compare the adequacy of different dosage regimens in relation to the therapeutic target associated with treatment efficacy. In conclusion, the population approach is very useful to characterize the pharmacokinetic profile of drugs in a population of interest. The quantification and the identification of the sources of variability is a rational approach to making optimal dosage decision for certain drugs administered chronically.

Minimal analytical characterization of engineered nanomaterials needed for hazard assessment in biological matrices.

Abstract This paper presents the outcomes from a workshop of the European Network on the Health and Environmental Impact of Nanomaterials (NanoImpactNet). During the workshop, 45 experts in the field of safety assessment of engineered nanomaterials addressed the need to systematically study sets of engineered nanomaterials with specific metrics to generate a data set which would allow the establishment of dose-response relations. The group concluded that international cooperation and worldwide standardization of terminology, reference materials and protocols are needed to make progress in establishing lists of essential metrics. High quality data necessitates the development of harmonized study approaches and adequate reporting of data. Priority metrics can only be based on well-characterized dose-response relations derived from the systematic study of the bio-kinetics and bio-interactions of nanomaterials at both organism and (sub)-cellular levels. In addition, increased effort is needed to develop and validate analytical methods to determine these metrics in a complex matrix.

Canakinumab reduces the risk of acute gouty arthritis flares during initiation of allopurinol treatment: results of a double-blind, randomised study.

Objective This study assessed the efficacy and safety of canakinumab, a fully human anti-interleukin 1 beta monoclonal antibody, for prophylaxis against acute gouty arthritis flares in patients initiating urate-lowering treatment.Methods In this double-blind, double-dummy, dose-ranging study, 432 patients with gouty arthritis initiating allopurinol treatment were randomised 1:1:1:1:1:1:2 to receive: a single dose of canakinumab, 25, 50, 100, 200, or 300 mg subcutaneously; 4 x 4-weekly doses of canakinumab (50 + 50 + 25 + 25 mg subcutaneously); or daily colchicine 0.5 mg orally for 16 weeks. Patients recorded details of flares in diaries. The study aimed to determine the canakinumab dose having equivalent efficacy to colchicine 0.5 mg at 16 weeks.Results A dose-response for canakinumab was not apparent with any of the four predefined dose-response models. The estimated canakinumab dose with equivalent efficacy to colchicine was below the range of doses tested. At 16 weeks, there was a 62% to 72% reduction in the mean number of flares per patient for canakinumab doses >= 50 mg versus colchicine based on a negative binomial model (rate ratio: 0.28-0.38, p <= 0.0083), and the percentage of patients experiencing >= 1 flare was significantly lower for all canakinumab doses (15% to 27%) versus colchicine (44%, p<0.05). There was a 64% to 72% reduction in the risk of experiencing >= 1 flare for canakinumab doses >= 50 mg versus colchicine at 16 weeks (hazard ratio (HR): 0.28-0.36, p <= 0.05). The incidence of adverse events was similar across treatment groups.Conclusions Single canakinumab doses >= 50 mg or four 4-weekly doses provided superior prophylaxis against flares compared with daily colchicine 0.5 mg.